Производство соляной кислоты

Хлор (от греч. χλωρός — «зелёный») — элемент главной подгруппы седьмой группы, третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 17. Обозначается символом Cl (лат. Chlorum). Химически активный неметалл. Входит в группу галогенов (первоначально название «галоген» использовал немецкий химик Швейгер для хлора [дословно «галоген» переводится как солерод], но оно не прижилось, и впоследствии стало общим для VII группы элементов, в которую входит и хлор).

Простое вещество хлор (CAS-номер: 7782-50-5) при нормальных условиях — ядовитый газ желтовато-зелёного цвета, с резким запахом. Молекула хлора двухатомная (формула Cl2).

Вода (Н2О) – это окись водорода, она является наиболее важным и распространенным веществом, в природе не существует чистой воды, в ней обязательно содержатся какие-либо примеси, чистая вода не имеет вкуса и запаха, прозрачна, ее получают в процессе перегонки, после этого она называется дистиллированной.

При переходе воды из твердого состояния в жидкое ее плотность не уменьшается, а возрастает, также плотность воды увеличивается при ее нагреве от 0 до +4°С, максимальную плотность вода имеет при +4°С, и только при последующем ее нагревании плотность уменьшается.

При +4°С градусах плотность воды превышает плотность льда, благодаря чему охлаждаясь сверху вода опускается на дно лишь до тех пор, пока ее температура не достигнет +4°С, вследствие чего лед остается на поверхности водоемов, что делает возможным жизнь под слоем льда водной флоры и фауны.

Данные свойства воды связаны с существующими в ней водородными связями, связывающими между собой молекулы, как в жидком, так и в твердом состоянии.

Еще одним свойством воды является то, что она обладает высокой теплоемкостью (4,1868 кДж/кг), это объясняет, почему в ночное время и при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем или во время перехода от зимы к лету также медленно нагревается. Благодаря этому свойству вода является регулятором температуры на Земле.

Вода обладает большой удельной теплоемкостью и является хорошим теплоносителем.

Среди всех жидкостей вода имеет самое высокое поверхностное натяжение, исключение составляет только ртуть. Дистиллированная вода не проводит электрический ток, так как она слабый электролит и диссоциирует в малой степени.

Однако вода способна стать хорошим проводником при условии растворения в ней даже малого количества ионных веществ.

По массе в состав воды входит 88,81% кислорода и 11,19% водорода, вода кипит при температуре +100°С, а замерзает при 0°С, она плохой проводник для электричества и теплоты, но хороший растворитель.

Вода является растворителем необходимым для протекания биохимических реакций, она хорошо растворяет ионные и многие ковалентные соединения. Своими способностями к растворению многих веществ вода обязана полярности своих молекул (при растворении ионных веществ молекулы воды ориентируются вокруг ионов).

Тяжелой водой (D2О) называется та вода, в состав которой входит изотоп водорода дейтерий, химические реакции с такой водой протекают медленнее, чем с обычной.

3.2. Физико - химические характеристики основных стадий процесса

1) получения хлористого водорода

В промышленности хлороводород ранее получали в основном сульфатным методом (методом Леблана), основанном на взаимодействии хлорида натрия с концентрированной серной кислотой. В настоящее время для получения хлороводорода обычно используют прямой синтез из простых веществ:

H2 + Cl2 ⇌ 2HCl↑

В производственных условиях синтез осуществляется в специальных установках, в которых водород непрерывно сгорает ровным пламенем в токе хлора, смешиваясь с ним непосредственно в факеле горелке. Тем самым достигается спокойное (без взрыва) протекание реакции. Водород подается в избытке (5 — 10 %), что позволяет полностью использовать более ценный хлор и получить незагрязненную хлором соляную кислоту.[2]

2) поглощения (абсорбции) хлористого водорода водой.

Абсорбция хлористого водорода в воде происходит экзотермически. Отвод выделяющегося при этом тепла происходит разными способами, как описано далее при следующих адиабатических и изотермических процессах поглощения. Важные термодинамические данные для разработки установок представлены ниже.

Термодинамические данные для абсорбции

Следующие данные относятся только к физическому процессу абсорбции. Процессы растворения, сопровождающиеся прохождением химических реакций, не рассматриваются.

Абсорбционное равновесие системы хлористый водород/вода представлено на рисунке 1. Значения парциального давления хлористого водорода внутри газовой фазы применимы только при постоянной температуре. Парциальное давление хлористого водорода - очень низкое для низких уровней концентрации хлористого водорода. Оно повышается в значительной степени только в случае высокого уровня концентрации кислоты.

Абсорбция хлористого водорода в воде - экзотермический процесс (около 2100 кДж/кг HCl). Температура кипения зависит от концентрации кислоты, как показано на рисунке 5. Максимальная температура кипения 108.6°C достигается для приблизительно 21% HCl. Далее температура кипения уменьшается почти линейно при увеличении концентрации соляной кислоты. Диаграмма кипения при более низком общем давлении проходит почти параллельно первой (рис.5).

Диаграмма состояния для системы HCl/вода при давлении 1 бар приведена для абсорбции в режиме кипения (рис. 6). Хлористый водород плохо испаряется при низких уровнях концентрации соляной кислоты; это означает, что газовая фаза почти не содержит хлористого водорода. В азеотропной точке значения концентрации HCl одинаковы для газовой и жидкой фазы. Испаряемость хлористого водорода сильно возрастает только выше этой точки. Газовая фаза состоит практически только из хлористого водорода при уровне концетрации раствора 40% HCl.

Согласно S-образной диаграмме состояния, максимальную концентрацию соляной кислоты нельзя превысить при нормальных условиях. Она составляет до 35% при давлении 1 бар и чистом притоке хлористого водорода, в то время как обычно применяются более низкие значения концентрации.

Если другие компоненты из газовой фазы могут быть поглощены, их абсорбционное состояние должно учитываться при разработке процесса. На рис. 7 в качестве примера показано абсорбционное равновесие SO2 в воде при различных температурах. Видно, что в водной фазе достигаются только низкие концентрации по сравнению с системой HCl/вода. Таким образом, вода - плохой растворитель для поглощения SO2. Тем не менее, способность к поглощению достаточно высокая, поэтому её нельзя игнорировать.

Уровни концентрации веществ, способных к абсорбции в воде, обычно пренебрежимо малы, поэтому их влиянием на поглощение HCl можно пренебречь.

3.3. Описание технологической схемы процесса

В основе прямого синтеза соляной кислоты лежит цепная реакция горения: Н2 + Сl2 ↔ 2НС1 + 184,7 кДж.

Рис.1. Синтетический метод производства соляной кислоты

3.4. Характеристика используемых химических реакторов

Реакция инициируется светом, влагой, твердыми пористыми веществами (древесный уголь, губчатая платина) и некоторыми минеральными веществами (кварц, глина). Абсолютно сухие хлор и водород не взаимодействуют между собой. Присутствие следов влаги ускоряет реакцию столь интенсивно, что она может произойти со взрывом. В производственных установках осуществляется спокойное, не взрывное горение водорода в токе хлора. Водород подается с избытком в 5–10%, что позволяет полностью использовать более ценный хлор и получить незагрязненную хлором соляную кислоту.

Сжигание смеси хлора и водорода производится в печах различных конструкций, представляющих собой небольшие камеры из огнеупорного кирпича, плавленого кварца, графита или металла. Наиболее современным материалом, предотвращающий загрязнение продукта является графит, импрегнированный фенолоформальдегидными смолами. Для предотвращения взрывного характера горения реагенты смешивают непосредственно в факеле пламени горелки. В верхней зоне камер сжигания устанавливают теплообменники для охлаждения реакционных газов до 150–160°С. Мощность современных графитовых печей достигает 65 т/сут. (в пересчете на соляную кислоту содержащую 35% НСl).

3.5. Характеристика отходов, проблемы их обезвреживания и полезного использования

С развитием хлорорганических производств возрастает количество токсичных отходов, содержащих хлорорганические соединения. В основном эти отходы представляют собой жидкости (безводные кубовые остатки и сточные воды), реже — твердые вещества. Обычно кубовые остатки содержат большой набор различных соединений, а сточные воды кроме хлорорганических содержат и другие органические и минеральные вещества. Для биохимической очистки сточных вод требуется многократное их разбавление; большинство хлорорганических соединений плохо подвергается биохимическому окислению. Сложный состав отходов не позволяет эффективно обезвреживать их различными физическими и химическими методами.

В настоящее время в мировой практике наиболее универсальным и надежным методом обезвреживания хлорорганических отходов является огневой — с его помощью ежегодно в мире обезвреживается около 1 млн. т указанных отходов [3]. Однако процесс огневого обезвреживания в данном случае не является конечным, так как горение или окисление хлорорганических соединений сопровождается образованием нового токсичного соединения НС1, а в малых концентрациях — и СЬ. Поэтому процесс огневого обезвреживания хлорорганических отходов необходимо дополнять процессом очистки отходящих газов НС1, а иногда и от СЬ- Возможны два принципиально различных способа очистки дымовых газов от HQ: 1) нейтрализация НС1 щелочами в огневом реакторе или в скрубберах; 2) переработка отходящих газов на соляную кислоту или сухой хлористый в водород.

При огневом обезвреживании сточных вод, содержащим хлорорганические соединения, концентрация образующегося НС1 в дымовых газах обычно не превышает 1%, а концентрация водяных паров доходит до 40—45%. Из таких отходящих газов абсорбцией может быть получена очень разбавленная соляная кислота; выход кислоты обычно невелик. При таких условиях невозможно осуществить рентабельное производство товарной соляной кислоты, необходима нейтрализация образующегося НС1 щелочами. По тем же причинам нерентабельно производство соляной кислоты при огневом обезвреживании безводных или слабообводненных кубовых остатков с содержанием хлора менее 55%, когда в отходящих газах концентрация НС1 не превышает 7% [3].